Tento článek nás provede problematikou PoE i PoE+, který poskytuje vyšší výkon. Jaké normy se této problematice věnují, jaké zařízení a komponenty jsou součástí sítě? V neposlední řadě si vysvětlíme základní pojmy a názvosloví, které se používají v běžné praxi.

Historie vzniku PoE

PoE se poprvé objevilo jako odpověď na problém napájení telefonů Voice over Internet Protocol (VoIP). Klasické telefony byly napájeny přímo z telefonní linky. Popularita VoIP telefonů rostla, ale nebylo je možné napájet přímo z datové linky. Proto musel být ke každému VoIP telefonu přiložen adaptér. Toto řešení, ale nebylo komfortní, a pokud došlo k výpadku elektrické energie v budově, telefony též utichly.

V roce 2000 nastal zlom a první společností, která zavedla patentovanou technologie, která umožnila ethernetovým kabelům přenášet napájení 48 V_DC, byla Cisco (obr.1). V roce 2001 a 2002 se PoE rozšířilo po celém světě, a tak i ostatní výrobci začali tuto technologii hojně využívat.

Technologie upoutala pozornost IEEE, která byla zodpovědná za vznik standardu „Standard for Ethernet“ (IEEE 802.3) již v roce 1983. Organizace se správně domnívala, že bylo nutné vytvořit standard pro PoE, aby mohl každý výrobce tuto technologii používat a své výrobky označit „PoE ready“. Tato „standardizace“ byla přidělena pracovnímu podvýboru IEEE 802.3 Ethernet Committee a byla pojmenována „802.3af“. V červnu roku 2003 pracovní podvýbor ratifikoval standard IEEE 802.3af PoE. V roce 2009 byla ratifikována druhá norma IEEE 802.3at, která definovala podobnou technologii, která ale zvládla přenést více energie.

Co je definováno ve standardu?

IEEE 802.3af popisuje technologii PoE tak, že každému zařízení se musí poskytnout napájecí energie o velikosti až 15,4 W (minimálně 44 V_DC a 350 mA). Kvůli ztrátám v kabelu je zaručeno, že na napájeném zařízení bude k dispozici alespoň 12,95 W.

Tato technologie používá standardní konektor RJ45 a kabel Cat5 nebo Cat3. K napájení se využívají nevyužité vodiče ethernetového kabelu. Pro fyzickou vrstvu 10 až 100 Mb / s jsou využívány pouze dva ze čtyř párů v kabelech Cat5 (tato možnost je ve standardu IEEE označována jako „Varianta B“). Energie, ale může být přenášena také pomocí již používaných datových vodičů. Jelikož Ethernet používá k přenosu dat diferenciální přístup, je možno pro přenos energie využít také tyto datové vodiče (ve standardu IEEE označována jako „Varianta A“)

IEEE 802.3af definuje dva typy PoE zařízení. Power Sourcing Equipment (PSE) a Powered Device (PD). PSE (Napájecí zařízení) řídí množství energie, které dodává přes ethernetový kabel do PD a to až do vzdálenosti 100m. PD (Napájené zařízení) mohou být VoIP telefony, bezdrátové přístupové body, bezpečnostní kamery, terminály Point-of-Sale (POS), systémy pro regulaci teploty a další.

IEEE PoE zavádí také jednoduchou vzájemnou komunikaci mezi PSE a PD. Tato komunikace umožňuje PSE detekovat PD na lince. PSE a PD si vyměňují informace o množství energie, které je dostupné. Pro detekci PD aplikuje PSE stejnosměrné napětí mezi 2,8 a10 V na příslušný vodič. PSE pak určí, zda je PD připojeno pomocí měření proudové smyčky. PD má osazenou odporovou zátěž okolo 19 a 27 kΩ s paralelním kondenzátorem 120 nF. Obrázek 2 ukazuje schéma PSE napájející PD.

Rozšíření standardu IEEE

Jak již bylo řečeno maximální přenášená energie je 13 W. Toto množství ale nebylo pro některá zařízení dostatečné. Proto byl v roce 2009 zaveden druhý standard IEEE 802.3at, též označován jako „PoE+“, který zvyšuje maximální přenášenou energii na 25,5 W. V tomto případě PSE poskytuje napětí 50 až 57 V_DC místo 44 až 57 V_DC, definované v předešlém standardu. Proud pro PoE+ je zvýšen na 600 mA ve srovnání s 350 mA. PoE+ používá pouze kabel Cat5 (který má ve srovnání se čtyřmi vodiči Cat3 osm vnitřních vodičů). Kromě navýšení energie dochází v PoE+ k dynamickému přidělování energie. To vede ke zvýšené účinnosti systému a snížení celkovým nákladům.

Tabulka 1 porovnává PoE ( IEEE 802.3af ) a PoE+ ( IEEE 802.3at ).

Co je to Endspan a Midspan?

Endspan se říká switchi, který má již v sobě zabudovaný hardware s podporou PoE. Pomocí těchto zařízení se buduje nová ethernetová síť s PoE. Endspan dokáže napájení dodávat jak do volného páru vodičů, tak přímo na datové vodiče. Pokud máme ethernetovou síť již vytvořenou, je nutné PoE do ní implementovat. Někdy se používá termín injektovat. To se provádí pomocí zařízení nazvané Midspan.

Midspan používá tzv „injektor“ umístěný mezi existujícím ethernetovým switchem a napájeným zařízením PD. Midspan se umísťuje obvykle v těsné blízkosti switche a je pak považováno za PSE. Midspan je schopen dodávat energii pouze na volný pár nikoliv na datové vodiče.

Na trhu je mnoho Midspan zařízení, které lze snadno připojit ke stávající ethernetové síti. Laird Technologies nabízí napájecí zdroj POE-48I. Napájecí zdroj bude fungovat s jakýmkoli zařízením, které odpovídá standardu IEEE 802.3af.  POE-48I má jediný port a je schopen dodat až 24W čili 500mA při 48 V.

Mixed Signal Group od Microsemi Analog je Midspan s jedním portem, který splňuje požadavky standardu IEEE 802.3at. PowerDsine 9001GR je schopen dodat až 30 W při 55 V. Zařízení je zpětně kompatibilní s IEEE 802.3af a může napájet stávající síťová zařízení 10 / 100Base-T i nové bezdrátové zařízení 1000Base-T, jako je WiMAX a IEEE 802.11n bezdrátové přístupové body. Na obrázku 3 je příklad typické aplikace.

K dispozici jsou také mnohoportové Midspany Phihong s 8, 16 a 24 porty. POE370U je 24-portový Midspan kompatibilní s IEEE802.3af. Každý port je schopen dodat až 15,4 W. Jednotka nabízí automatickou detekci odpojení kabelu a ochranu před přetížením a může být dodávána s 1 U montážní sadou do racku.

Dodavatelé Midspanu nabízí také „rozbočovače“ používající vstup s PoE, který následně rozdělí na dva výstupy. Data a napájení. Napájení může být přesměrováno do koncového zařízení PD pomocí samostatného kabelu. Rozbočovače fungují jako prostředník mezi kompatibilním PSE a nekompatibilním PD.

Laird Technology nabízí POE rozbočovač (splitter) POE-12S-AFI, který dokáže „přijímat“ napájení PoE z jakéhokoli routeru nebo zdroje napájení IEEE 802.3af. Jednotka obsahuje ochranu proti přetížení a zkratu. Okamžitě vypne napájení, když je detekován zkrat, aby nedošlo k poškození systému PoE.

Volba mezi sítí s Endspan nebo Midspan

Pokud se v síti vyměňují všechny switche nebo se tvoří nová sít, tak se zvolí zařízení Endspan. Je nutné si uvědomit, že mnoho zařízení Endspan je schopno poskytovat pouze maximum energii 200 W. To znamená, že zařízení s 24 porty může dodat maximálně 8,3 W na port. To je ale méně než maximální výkon (15,4W) stanovený ve standardu PoE. Pokud je síť vybavena drahými mnoha funkcemi vybavenými switchi, je vhodné přidat PoE do sítě pomocí zařízení Midspan. V případě, že je nutné použít speciální napětí (24V, 12V či 5V) pro PD, tak je jasná volba na použití zařízení Midspan. Obrázek 4 ukazuje síť vytvořenou pomocí zařízení Endspan a Midspan.

Napájecí zařízení PSE se obvykle skládali z mnoha diskrétních obvodů, ale postupem času tyto obvody byly nahrazeny polovodičovými čipy, které byly vyrobeny přímo pro tento účel. Tím se snížila složitost zařízení. Počet externích součástek, které byly nutné pro převodníky napětí na 50 až 57 V_DC se zredukoval na minimum. Další informace o těchto součástkách naleznete v článku TechZone „ Power-over-Ethernet Adapts to Meet Higher Demand “.

IEEE 802.3 bt

PoE se od svého vývoje na počátku století stalo populární technologií zejména pro komerční a průmyslové aplikace. Implementace technologie je relativně jednoduchá, zejména u nových instalací, a zavedení zařízení typu Midspan usnadnilo přidávání PoE do starších sítí. Zavedení PoE+ (IEEE 802.3at) zvýšilo výkon, který je k dispozici pro PD, a to otevřelo dveře novým aplikacím, které dřív nemohli být realizovány. Od roku 2009, kdy byla ratifikována IEEE 802.3at, se technologie PoE+ nadále vyvíjí, protože roste poptávka po ještě větším výkonu pro PD. Ve snaze doplnit standard IEEE 802.3at bylo na trh zavedeno mnoho proprietárních protokolů PoE se schopností dodávat 60 W až 95 W pod různými názvy, jako například:

• UPoE (Cisco)
• LTPoE (Linear Tech/Analog Devices)
• PoH (MicroSemi/Microchip)
• PoE ++ (Průmysl)
• 4PPoE (Průmysl)

Tyto technologie nedodržují současné standardy a nejsou interoperabilní. U nekompatibilního hardware může dojít k jeho poškození. Na konci roku 2018 byl ratifikován nový standard IEEE 802.3bt pro PoE, který umožňuje dodat energii o velikosti až 71,3 W na PD. To znamená, že z PSE musí odcházet energie o velikosti až 90 W. Tabulka 2 shrnuje možnosti PSE napájení a PD napájení pro všechny standardy:

Poznámka 1: Zvýšení výkonu pro PD na 60 W a 90 W je povolena, pokud je délka kabelu 2 až 5 metrů.

Kromě možnosti přenosu většího výkonu prostřednictvím ethernetových kabelů definuje nový standard PoE IEEE 802.3bt mnoho dalších nových funkcí (vylepšení) ve srovnání s předchozími standardy IEEE 802.3af a IEEE 802.3at:

• Podporuje dvě konstrukce PD: Single-Signature PD a Dual-Signature PD
• Funguje přes čtyři páry ethernetového kabelu
• Autoclass funkce
• Zvýšení výkonu se známou délkou kabelu
• Podpora pohotovostního režimu (krátké MPS)
• Podporuje 2.5G-BaseT, 5G-BaseT, 10G-BaseT
• Zpětně kompatibilní s IEEE 802.3at / af

Více informací o novém standardu IEEE 802.3bt naleznete na webových stránkách AE Ethernet Alliance.

Článek vyšel v originále "An Introduction to Power-over-Ethernet" na webu DigiKey.com, autorem je Dany Haikin.